ナノ細孔薄膜を分子捕集場とした水晶振動子型ガスセンサーの開発

2004 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16655032
• Research Institution: Tokyo University of Pharmacy and Life Science
• Principal Investigator: 内田 達也 東京薬科大学, 生命科学部, 助教授 (30261548)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 藤原 祺多夫 東京薬科大学, 生命科学部, 教授 (90090521) ; 中野 信夫 理研計器株式会社, 研究部, 副部長
• Keywords: 水晶振動子微量天秤 / QCM / VOC / 揮発性有機化合物 / ガス検出 / メソポーラス / ナノ細孔 / 化学センサ

Research Abstract

本研究は,ナノ細孔薄膜によって気相中の揮発性有機化合物(VOC)を捕集し,これによる薄膜の質量変化を水晶振動子微量天秤(QCM)法で測定することを原理としたガスセンサーの開発である。QCM法はナノグラムオーダーの質量変化を検出可能なin-situ測定法として多方面で用いられている。一般的なQCMでは,水晶振動子上の金電極に対する物質の吸脱着に伴う質量変化を振動子の共振周波数変化から計測する。従って,物質検出量が金電極の表面積で規定されるため,質量の小さな分子の検出には不向きであり,より汎用的な化学センサーとしてQCMを利用するためには,その高感度化が必要不可欠である。これに対して,本研究ではナノ細孔薄膜のQCMへの応用を提案した。ナノ細孔薄膜は棒状ミセルを鋳型として形成され,孔径数ナノメートルの均一な細孔構造を有するシリカ-界面活性剤複合体である。その比表面積は〜1000m^2/gに及ぶ。本研究では,この薄膜を水晶振動子上に固定化することにより,3次元空間を利用したQCM測定を可能にし,感度および検出限界の大幅な向上を図った。特に,気相中のVOCガスを標的化学種とし,毛管凝縮現象による細孔内部への分子捕集を試みた。
ナノ細孔薄膜を固定化した水晶振動子をチャンバー内に設置し,アルゴンで適宜希釈したクロロホルムガスに対する周波数の応答を検討した。その結果,濃度依存的な周波数の減少が観測され,100ppbオーダーのクロロホルムを検出可能であることを確認した。さらに,この周波数応答は可逆的であり,VOCガスのオンライン検出に利用可能であることがわかった。また,細孔内にミセルが残存するとガスに対する感度が大幅に悪化することより,細孔内空間全てがガス分子の捕集に利用されていることが示唆された。